RU2813230C1

RU2813230C1 - Interference microscope with optical difference compensator

Info

Publication number: RU2813230C1
Application number: RU2023117755A
Authority: RU
Inventors: Павел Сергеевич Игнатьев; Андрей Витальевич Правдивцев; Нина Дмитриевна Дедкова
Filing date: 2023-07-05
Publication date: 2024-02-08

Abstract

FIELD: microscopy.

SUBSTANCE: invention relates namely to interference transmission microscopes, and is intended to measure the optical path difference in translucent objects using a set of objectives and glass slides of varying thickness or located in a liquid layer of unknown thickness. An interference microscope with an optical path difference compensator contains an interferometer, including beam splitters and a support arm with a modulating mirror, an optical system consisting of a lens and a tube component, a photodetector and an optical path difference compensator, consisting of a mirror and mechanisms for longitudinal and transverse movement.

EFFECT: invention makes it possible to measure the optical path difference in translucent objects using a set of lenses and glass slides of varying thickness or located in a liquid layer of unknown thickness.

1 cl, 1 dwg

Description

Заявленное техническое решение относится к области микроскопии, а именно к интерференционным просветным микроскопам, и предназначено для получения фазовых сдвигов в полупрозрачных объектах при использовании набора объективов и предметных стекол различной толщины или находящихся в жидкостном слое неизвестной толщины.The claimed technical solution relates to the field of microscopy, namely to interference transmission microscopes, and is intended to obtain phase shifts in translucent objects using a set of objectives and glass slides of varying thickness or located in a liquid layer of unknown thickness.

Методы интерференционной микроскопии успешно применяются для исследования оптических свойств широкого круга микрообъектов, начиная от исследования материалов и заканчивая биологическими объектами. Основными преимуществами интерференционной микроскопии являются высокое пространственное разрешение, неинвазивный характер измерения, а также отсутствие специальных требований к среде измерения (вакуум, красители).Interference microscopy methods are successfully used to study the optical properties of a wide range of microobjects, ranging from the study of materials to biological objects. The main advantages of interference microscopy are high spatial resolution, non-invasive nature of the measurement, and the absence of special requirements for the measurement environment (vacuum, dyes).

К настоящему времени отсутствуют известные решения в области просветной интерференционной микроскопии, позволяющие выполнять измерение с различным увеличением объектов произвольной толщины без существенной перенастройки системы.To date, there are no known solutions in the field of transmission interference microscopy that allow measurements with different magnifications of objects of arbitrary thickness without significant reconfiguration of the system.

В ряде опубликованных интерференционных микроскопов использована двулучевая схема интерферометра Маха-Цендера (например: А.Н. Захарьевский, А.Ф. Кузнецова. Интерференционные биологические микроскопы. Цитология, 1961), которая предназначена для формирования интерференционных изображений биологических объектов в проходящем свете.A number of published interference microscopes use a two-beam scheme of a Mach-Zehnder interferometer (for example: A.N. Zakharyevsky, A.F. Kuznetsova. Interference biological microscopes. Cytology, 1961), which is designed to form interference images of biological objects in transmitted light.

Известен просветный интерференционный микроскоп, выполненный по схеме деления пучков Маха-Цендера (патент US №2950649 с приоритетом от 02.08.1955, опубликованный 30.08.1960, МПК G02B 21/14). Микроскоп основан на двух ветвях с идентичными оптическими элементами. В одной из ветвей располагается исследуемый препарат, в другой эталонный объект. Шаговый сдвиг осуществляется путем поперечного смещения компенсационных клиньев. Преимуществом данного микроскопа является простота реализации и установки компенсационных клиньев в оптическую схему микроскопа. Недостатком является наличие четырех дополнительный оптических поверхностей, которые при использовании когерентных оптических источников излучения (лазеров) формируют паразитную спекловую картину и, как следствие, паразитный рельеф на фазовом образе объекта.A known transmission interference microscope is made according to the Mach-Zehnder beam division scheme (US patent No. 2950649 with priority dated 08/02/1955, published 08/30/1960, IPC G02B 21/14). The microscope is based on two arms with identical optical elements. The drug under study is located in one of the branches, and the reference object in the other. The step shift is carried out by transverse displacement of the compensation wedges. The advantage of this microscope is the ease of implementation and installation of compensation wedges in the optical circuit of the microscope. The disadvantage is the presence of four additional optical surfaces, which, when using coherent optical radiation sources (lasers), form a parasitic speckle pattern and, as a consequence, a parasitic relief on the phase image of the object.

Данное устройство выбрано за наиболее близкий аналог.This device was chosen as the closest analogue.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание системы интерференционного микроскопа, работающего в проходящем свете и обеспечивающего измерение объектов с различной оптической разницей хода для набора микрообъективов различного увеличения.The problem to be solved by the claimed technical solution is the creation of an interference microscope system that operates in transmitted light and provides measurement of objects with different optical path differences for a set of microlenses of different magnifications.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в получении фазовых образов в полупрозрачных средах при использовании набора объективов и предметных стекол различной толщины или находящихся в жидкостном слое неизвестной толщины.The technical result achieved by solving the problem is to obtain phase images in translucent media using a set of lenses and glass slides of varying thickness or located in a liquid layer of unknown thickness.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что просветный интерференционный микроскоп содержит интерферометр, состоящий из светоделителей и опорного плеча с модулирующим зеркалом, оптическую проекционную систему, включающую объектив и тубусный компонент, и фотоприемник.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the transmission interference microscope contains an interferometer consisting of beam splitters and a support arm with a modulating mirror, an optical projection system including a lens and a tube component, and a photodetector.

При этом, в отличие от ближайшего аналога, устройство дополнительно содержит компенсатор оптической разности хода, состоящий из зеркала и механизмов продольного и поперечного перемещения.Moreover, unlike its closest analogue, the device additionally contains an optical path difference compensator, consisting of a mirror and mechanisms for longitudinal and transverse movement.

Светоделитель необходим для формирования двух пространственно-распределенных световых пучков от когерентного источника излучения.A beam splitter is necessary to form two spatially distributed light beams from a coherent radiation source.

Опорное плечо с модулирующим зеркалом позволяет модулировать оптическую разность хода в интерферометре.A reference arm with a modulating mirror allows you to modulate the optical path difference in the interferometer.

Оптическая система, включающая объектив и тубусный компонент, предназначена для формирования изображения в плоскости фотоприемника.The optical system, including a lens and a tube component, is designed to form an image in the plane of the photodetector.

Фотоприемник служит для получения и оцифровки интерферограмм.The photodetector is used to obtain and digitize interferograms.

Компенсатор оптической разницы хода (далее - компенсатор ОРХ) компенсирует ОРХ, возникающую при смене микрообъективов.The optical travel difference compensator (hereinafter referred to as the ORX compensator) compensates for the ORX that occurs when changing microlenses.

Сущность заявленного решения поясняется иллюстрацией.The essence of the claimed solution is illustrated by illustration.

На чертеже изображена структурная схема микроскопа, где:The drawing shows a block diagram of a microscope, where:

1 - лазер,1 - laser,

2.1 - светоделительный куб блока лазера,2.1 - beam splitter cube of the laser block,

2.2 - светоделительный куб блока компенсатора,2.2 - beam splitter cube of the compensator block,

2.3 - светоделительный куб блока опорного плеча,2.3 - beam splitter cube of the support arm block,

2.4 - светоделительный куб блока интерферометра;2.4 - beam splitter cube of the interferometer block;

5 - блок компенсатора, состоящего из:5 - compensator block, consisting of:

5.1 - зеркало компенсатора разницы хода,5.1 - travel difference compensator mirror,

5.2 - механизм поперечного перемещения компенсатора,5.2 - mechanism for transverse movement of the compensator,

5.3 - механизм продольного перемещения компенсатора,5.3 - mechanism for longitudinal movement of the compensator,

6 - объектив подсветки,6 - backlight lens,

7 - измерительный объектив,7 - measuring lens,

8 - объектив опорного плеча,8 - support arm lens,

9 - модулирующее зеркало,9 - modulating mirror,

10 - полупрозрачный объект,10 - translucent object,

11 - тубусный компонент,11 - tube component,

12 - фотоприемник.12 - photodetector.

Формирование двух пространственно-распределенных световых пучков от когерентного источника 1 осуществляется с помощью светоделителя 2.1. Светоделители 2.2 и 2.3 выполняют роль отражателей, дополняющих оптическую систему компенсатором 5 и модулятором ОРХ, включающим объектив 8 и зеркало 9. Светоделитель 2.4. выполняет совмещение пучков лучей. Оптическая проекционная система, состоящая из объектива 6 и тубусного компонента 11, формирует изображение на фотоприемнике 12. Компенсация оптической разности хода, возникающей вследствие переключения объектива 6 в измерительном канале или использования предметных стекол различной толщины, осуществляется за счет перемещения зеркала компенсатора 5.1 при помощи механизмов поперечного 5.2 и продольного 5.3 перемещения.The formation of two spatially distributed light beams from a coherent source 1 is carried out using a beam splitter 2.1. Beam splitters 2.2 and 2.3 act as reflectors that complement the optical system with a compensator 5 and an ORX modulator, including a lens 8 and a mirror 9. Beam splitter 2.4. performs the combination of beams of rays. An optical projection system, consisting of a lens 6 and a tube component 11, forms an image on the photodetector 12. Compensation for the optical path difference arising as a result of switching the lens 6 in the measuring channel or the use of glass slides of different thicknesses is carried out by moving the compensator mirror 5.1 using transverse mechanisms 5.2 and longitudinal 5.3 movements.

В системе присутствует модулирующее зеркало 9, которое позволяет использовать метод фазового сдвига для увеличения точности восстановления фазы.The system contains a modulating mirror 9, which allows the use of the phase shift method to increase the accuracy of phase restoration.

Микроскоп работает следующим образом.The microscope works as follows.

Луч лазера 1 падает на полупрозрачную грань светоделительного кубика 2.1, где разделяется на две части. Часть луча лазера 1, прошедшая сквозь полупрозрачную грань светоделительного кубика 2.1, через светоделительный кубик 2.2 попадает на блок компенсатора 5, состоящего из зеркала компенсатора 5.1, механизма поперечного перемещения 5.2 и механизма продольного перемещения 5.3 компенсатора. После отражения от зеркала компенсатора 5.1 луч лазера 1 повторно отражается от светоделительной грани кубика 2.2 и через объектив подсветки 6 подсвечивает полупрозрачный объект 10. Измерительный объектив 7 и тубусный компонент 11 строят изображение полупрозрачного объекта 10 в плоскости фотоприемника 12. Часть луча лазера 1, отразившаяся от граней светоделительных кубиков 2.1 и 2.3 при помощи объектива опорного плеча 8 и тубусного компонента 11 строит в плоскости фотоприемника 12 изображение модулирующего зеркала 9. При наложении изображений полупрозрачного объекта 10 и модулирующего зеркала 9 в плоскости фотоприемника 12 возникает интерференционная картина. Смещение модулирующего зеркала 9 вдоль оптической оси интерферометра приводит к модуляции фаз волнового фронта отраженного от опорного плеча. Математическая обработка интерференционных картин, полученных с фотоприемника 12 при различных положениях модулирующего зеркала 9 позволяет восстанавливать трехмерные фазовые образы полупрозрачного объекта 10. Однако, при смене измерительного объектива 7 возникает изменение оптической разности хода лучей в интерферометре, приводящее к снижению контраста интерференционной картины в плоскости фотоприемника 12 и, как следствие, к зашумлению и снижению качества трехмерного фазового образа. Решением данной проблемы является компенсация ОРХ, возникающей при смене измерительного объектива 7, направленная на повышение качества фазовых образов. Данная компенсация осуществляется путем включения в оптическую схему микроскопа компенсатора оптической разности хода 5, состоящего из зеркала компенсатора 5.1, механизма поперечного перемещения 5.2 компенсатора и механизма продольного перемещения 5.3 компенсатора.Laser beam 1 falls on the translucent face of the beam splitter cube 2.1, where it is divided into two parts. Part of the laser beam 1, passing through the translucent face of the beam splitter cube 2.1, through the beam splitter cube 2.2, hits the compensator block 5, consisting of a compensator mirror 5.1, a transverse movement mechanism 5.2 and a longitudinal movement mechanism 5.3 of the compensator. After reflection from the compensator mirror 5.1, the laser beam 1 is again reflected from the beam splitting face of the cube 2.2 and illuminates the translucent object 10 through the illumination lens 6. The measuring lens 7 and the tube component 11 build an image of the translucent object 10 in the plane of the photodetector 12. The part of the laser beam 1 reflected from the faces of the beam splitting cubes 2.1 and 2.3, using the lens of the support arm 8 and the tube component 11, builds an image of the modulating mirror 9 in the plane of the photodetector 12. When superimposing images of the translucent object 10 and the modulating mirror 9 in the plane of the photodetector 12, an interference pattern appears. The displacement of the modulating mirror 9 along the optical axis of the interferometer leads to modulation of the phases of the wave front reflected from the reference arm. Mathematical processing of interference patterns obtained from photodetector 12 at different positions of the modulating mirror 9 allows one to reconstruct three-dimensional phase images of a translucent object 10. However, when changing the measuring lens 7, a change in the optical difference in the path of the rays in the interferometer occurs, leading to a decrease in the contrast of the interference pattern in the plane of the photodetector 12 and, as a consequence, to noise and a decrease in the quality of the three-dimensional phase image. The solution to this problem is the compensation of the ORC that occurs when changing the measuring lens 7, aimed at improving the quality of phase images. This compensation is carried out by including in the optical circuit of the microscope an optical path difference compensator 5, consisting of a compensator mirror 5.1, a transverse movement mechanism 5.2 of the compensator and a longitudinal movement mechanism 5.3 of the compensator.

Компенсатор работает следующим образом: при смене измерительного объектива 7 возникает изменение оптической разности хода лучей в интерферометре за счет сокращения или увеличения ОРХ в объектном плече интерферометра, состоящего из кубиков 2.1, 2.2, 2.4, объективов 6 и 7. Для компенсации возникшей ОРХ зеркало компенсатора 5.1 смещают вдоль оптической оси при помощи механизма продольного перемещения 5.3, а возможное отклонение зеркала относительно оптической оси компенсируют при помощи механизма поперечного перемещения 5.2. Выравнивание (компенсация) ОРХ в объектном и опорном плечах интерферометра приводит к повышению контраста интерференционной картины в плоскости фотоприемника 12 и решению поставленной технической задачи.The compensator works as follows: when changing the measuring lens 7, a change in the optical difference in the path of the rays in the interferometer occurs due to a reduction or increase in the ORX in the object arm of the interferometer, consisting of cubes 2.1, 2.2, 2.4, lenses 6 and 7. To compensate for the resulting ORX, the compensator mirror 5.1 are shifted along the optical axis using the longitudinal movement mechanism 5.3, and possible deviation of the mirror relative to the optical axis is compensated using the transverse movement mechanism 5.2. Alignment (compensation) of the ORC in the object and reference arms of the interferometer leads to an increase in the contrast of the interference pattern in the plane of the photodetector 12 and the solution of the technical problem.

Заявленное техническое решение обладает универсальностью, помехоустойчивостью, эксплуатационной надежностью и простотой обслуживания, снижает затраты на расходные материалы и эксплуатацию оборудования.The declared technical solution has versatility, noise immunity, operational reliability and ease of maintenance, reduces the cost of consumables and equipment operation.

Использование данного технического решения позволяет получить качественное исследование полупрозрачных объектов на различных увеличениях и возможность оперативной подстройки под новые объекты.The use of this technical solution allows you to obtain a high-quality study of translucent objects at various magnifications and the ability to quickly adjust to new objects.

Заявленное техническое решение является результатом экспериментальных исследований с использованием метрологического аттестованного оборудования.The claimed technical solution is the result of experimental studies using metrological certified equipment.

Созданный просветный интерференционный микроскоп с механизмом компенсации оптической разницы хода для объектов различной толщины и микрообъективов с различным увеличением может успешно применяться для исследования оптических свойств широкого круга микрообъектов.The created transmission interference microscope with a mechanism for compensating the optical path difference for objects of different thicknesses and microlenses with different magnifications can be successfully used to study the optical properties of a wide range of microobjects.

Claims

An interference microscope with an optical path difference compensator, containing an interferometer consisting of beam splitters and a support arm with a modulating mirror, an optical projection system including a lens and a tube component, and a photodetector, characterized in that it additionally contains an optical path difference compensator, consisting of a mirror and mechanisms longitudinal and transverse movement.